Resistência de ligações com parafuso passante com porca e arruela em madeira

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ COORDENAÇÃO DE CONSTRUÇÃO CIVIL

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

ALINE MARQUES LEUTNER

RESISTÊNCIA DE LIGAÇÕES COM PARAFUSO PASSANTE COM

PORCA E ARRUELA EM MADEIRA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CAMPO MOURÃO 2013

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ALINE MARQUES LEUTNER

RESISTÊNCIA DE LIGAÇÕES COM PARAFUSO PASSANTE COM PORCA E ARRUELA EM MADEIRA

Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, do Curso Superior de Engenharia Civil, Departamento de Engenharia Civil – COECI – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, para aprovação de viabilidade.

Orientador: Prof. Dr. Jorge Luís Nunes de Góes.

CAMPO MOURÃO 2013

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TERMO DE APROVAÇÃO

Trabalho de Conclusão de Curso Nº 19

RESISTÊNCIA DE LIGAÇÕES COM PARAFUSO PASSANTE COM PORCA E ARRUELA EM MADEIRA

por

Aline Marques Leutner

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado às 8 horas e 30 minutos do dia 03 de setembro de 2013 como requisito parcial para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL, pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

Prof. Msc. Angelo Giovanni Bonfim Corelhano

Prof. Dr. Davi Antunes de Oliveira

(UTFPR) (UTFPR)

Prof. Dr. Jorge Luís Nunes de Góes

(UTFPR) Orientador

Responsável pelo TCC: Prof. Msc. Valdomiro Lubachevski Kurta

Coordenador do Curso de Engenharia Civil:

Profª Dr. Marcelo Guelbert

A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso.

Ministério da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Campo Mourão

Diretoria de Graduação e Educação Profissional Coordenação de Engenharia Civil

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, por me abençoar e principalmente me dar força nessa caminhada.

Aos meus incríveis e amados pais, Roberto e Valdicia, pelo incentivo, apoio e seu amor sem limites que me fizeram ter coragem nos momentos mais difíceis. Mãe, obrigada pelas inúmeras vezes que me escutou chorando no telefone, a maioria por fraqueza, por achar que não seria capaz, mas a senhora sempre me encorajou a continuar. Pai, obrigada por ser essa pessoa espetacular, forte, decidido, pois sempre fiz de tudo para o senhor se orgulhar de mim.

Aos homens da minha vida, meus irmãos, maior amor que tenho é por vocês, Renan e Gustavo. Vocês são tudo pra mim, meu apoio, minha fortaleza, meus amigos, os homens que mesmo brava não tenho dúvida que amo.

Aos meus padrinhos, Maria Helena que ao logo dessa jornada além de minha segunda mãe, se tornou minha amiga, sempre me aconselhando, se tornando cada dia um exemplo de vida a seguir. Ao meu padrinho Júlio, que me adotou como afilhada e hoje é o único padrinho que reconheço.

As melhores amigas que eu poderia ter na vida, Mariane e Andrezza, anjos que ganhei de presente. É por causa de vocês que hoje sei o significado de amizade pura e verdadeira, e sei que a distância não importa quando há amor. Não tenho como agradecer aos conselhos, aos puxões de orelha e por ficarem bravas comigo quando estava fazendo tudo errado. Muito obrigada pelas conversas, pelos desabafos, pela companhia em todos os momentos, obrigada por serem minhas amigas.

As companheiras dentro e fora sala de aula, Alessandra e Viviane, pois somos as três mulheres “sobreviventes” dessa turma. Só tenho a agradecer por estarem comigo com cafés, nas noites sem dormir, aos projetos que pareciam nunca ter fim e também aos tererês, aos chimarrões, as festas e aos finais de tarde na sacada.

À minha xará Aline Pitol que apareceu no momento certo da faculdade, se fosse antes Campo Mourão seria pequeno para duas Alines. A companheira que

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arranjei e que fazem meus últimos dias de faculdade os melhores, mais divertidos, animados. Você é incrível!

À preta mais amada do mundo, Ariella, que sempre estará no meu coração, porque você foi minha parceira e amiga nos momentos difíceis e nos momentos de alegria. Obrigada pelas festas, pelas conversas, pelos abraços, pelas tardes de não fazer nada, por estar presente na minha vida.

Aos “meninos”, Du, Elder, Allan, Pitol, Roberto e Saymon, colegas e amigos de faculdade, pela ajuda e pelas risadas em sala.

Ao meu gordinho, Alexandre, e ao amigo (para não colocar delicia), Érico, por serem meus amigos.

A todos os amigos que de uma forma ou de outra estiveram presentes no meu dia-a-dia, que presenciaram os bons e maus momentos.

Ao meu mestre e orientador Jorge Góes, pois sem seu conhecimento e apoio não seria capaz de realizar esse trabalho. As inúmeras vezes que incomodei, na porta da sua sala de aula, para tirar dúvidas e o senhor me atendeu, meu muito obrigado.

A todos os professores que colaboraram para minha formação, dividindo um pouco de seu conhecimento comigo.

Finalmente, a todas as pessoas que participaram em algum momento desse caminho, que de algum modo me incentivaram, acreditaram em mim, me fizeram melhorar, crescer, aprender, de forma carinhosa ou dura, obrigada.

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RESUMO

LEUTNER, A. M. (2013). Resistência de ligações com parafusos passante com porcas e arruelas em madeira. Campo Mourão, 2013. 72p. Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Campo Mourão.

As construções de estruturas de madeira geralmente requerem ligações entre as peças que as compõem. Estas ligações devem garantir a segurança e a durabilidade da estrutura e ser compatível com as solicitações mecânicas avaliadas. As equações para o cálculo da resistência de ligações com pinos metálicos utilizadas na Revisão NBR 7190 (2012) e EUROCODE 5 (2004) são baseadas na teoria desenvolvida por Johansen (1949), porém a norma brasileira faz simplificações dessa teoria. O critério de dimensionamento segundo a Revisão da NBR 7190 (2012) para ligações com parafusos passantes conduz ao aumento do número de elementos nas ligações em relação ao observado no EUROCODE 5 (2004). Neste contexto, o objetivo desse trabalho é a analise teórica do modelo de dimensionamento segundo a Revisão NBR 7190 (2012) em comparação com EUROCODE 5 (2004).

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ABSTRACT

LEUTNER, A. M. (2013). Resistance joints with bolts with nuts and washers on timber. Campo Mourão, 2013. 72p. Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Campo Mourão.

The construction of timber structures generally requires joints between the parts that compose them. These joints must ensure security and durability to the structure and be compatible with the evaluated mechanical requests. The equations to the calculation of resistance to joints with steel dowels used in Review NBR 7190 (2012) and EUROCODE 5 (2004) are based upon a theory developed by Johansen (1949),but the Brazilian standard used simplifications. The Review NBR 7190 (2012) criterion for the design of joints for bolts leads to the increase of element number in the joint in relation to the observed one in the EUROCODE 5. In this argument, the objective of this work is the theoretical analysis of the design method results of the Review NBR 7190 (2012) compared to EUROCODE 5 (2004).

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LISTA DE SÍMBOLOS

Letras romanas minúsculas

be distância do eixo do pino mais afastado à borda do lado da solicitação

c coeficiente de relação entre as resistências ao embutimento das peças de madeira.

d diâmetro do pino metálico f valor da resistência da madeira

fek valor da força de embutimento da madeira

fed valor de cálculo da força de embutimento da madeira fu valor da resistência última a tração

fv,0 valor da resistência ao cisalhamento paralelo às fibras

fv,d valor da resistência de cálculo ao cisalhamento paralelo às fibras h altura total da seção transversal da peça principal

n número de pinos efetivos no número de pinos convencional

t espessuras da madeira ou da penetração pino xw valor característico

Letras romanas maiúsculas

A área da seção

E modo de elasticidade F força aplicada

Fax,Rx resistência ao arrancamento

Mk valor característico do momento fletor Md valor de cálculo do momento fletor Rk resistência característica da ligação Rd resistência de cálculo da ligação U teor de umidade da madeira

Vd força de cisalhamento em projeto produzido no membro de espessura t

Letras gregas

α ângulo de inclinação da força F em relação às fibras

coeficiente de redução do módulo de resistência, relação entre a resistência aoembutimento das peças ligadas

coeficiente limite de redução do módulo de resistência, relação entre a resistência aoembutimento das peças ligadas

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Deformação

coeficiente da propriedade do material massa especifica da madeira

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Esquema dos tipos comuns de entalhes ... 19

Figura 2 – Ligações com anéis metálicas. ... 21

Figura 3 – Ligações com cavilhas ... 22

Figura 4 – Tipos comuns de pregos ... 23

Figura 5 – Esquema de parafuso. ... 23

Figura 6– Característica simplificada da resistência ao embutimento. ... 24

Figura 7 – Espessuras t1 e t2 em uma seção de corte. ... 24

Figura 8 – Resistência característica de cálculo em uma seção de corte ... 26

Figura 9 – Modelo de falha 1b em t1 ... 27

Figura 10 – Modelo de falha 1b em t2 ... 27

Figura 11 – Modelo de falha 1a ... 28

Figura 12 – Modelo de falha 2a ... 30

Figura 13 – Modelo de falha 2b ... 31

Figura 14 – Modelo de falha 3. ... 33

Figura 15 – Ligações com tração normal às fibras ... 36

Figura 16 – Espaçamento em ligações com pinos ... 38

Figura 17 – Pinos metálicos em corte simples ... 39

Figura 18 – Pinos metálicos em corte duplo... 39

Figura 19–Força combinada agindo em um ângulo as fibras ... 40

Figura 20 – Definição do espaçamento e distância para ligações. ... 44

Figura 21 – Modelo de corpos de prova A1. ... 51

Figura 22 – Modelo de corpos de prova A2. ... 51

Figura 23 – Modelo de corpos de prova B1. ... 52

Figura 24 – Modelo de corpos de prova B2. ... 52

Figura 25 – Modelo de corpos de prova C1. ... 53

Figura 26 – Modelo de corpos de prova C2. ... 53

Figura 27 – Modelo de corpos de prova D1. ... 54

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Coeficiente para propriedade do material ... 25

Tabela 2 – Classe de resistência das coníferas ... 50

Tabela 3 – Classe de resistência das folhosas ... 50

Tabela 4 – Resistência das ligações para corpo de prova A1 (kN) ... 55

Tabela 5– Resistência das ligações para corpo de prova A2 (kN) ... 57

Tabela 6 – Resistência das ligações para corpo de prova B1 (kN) ... 58

Tabela 7 – Resistência das ligações para corpo de prova B2 (kN) ... 59

Tabela 8 – Resistência das ligações para corpo de prova C1 (kN) ... 60

Tabela 9 – Resistência das ligações para corpo de prova C2 (kN) ... 62

Tabela 10 – Resistência das ligações para corpo de prova D1 (kN) ... 63

Tabela 11 – Resistência das ligações para corpo de prova D2 (kN) ... 64

(13)

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 – Resistencia modelo corpo de prova A ... 56

Gráfico 2 – Resistência do modelo do corpo de prova A2 ... 57

Gráfico 3 – Resistência do modelo do corpo de prova B1 ... 58

Gráfico 4 – Resistência do modelo do corpo de prova B2 ... 59

Gráfico 5 – Resistência do modelo do corpo de prova C1 ... 61

Gráfico 6 – Resistência do modelo do corpo de prova C2 ... 62

Gráfico 7 – Resistência do modelo do corpo de prova D1 ... 63

Gráfico 8 – Resistência do modelo do corpo de prova D2 ... 64

Gráfico 9 – Resistência de ligação com parafuso 3/8 ’’ em corte simples. ... 65

Gráfico 10 – Resistência de ligação com parafuso 3/8 ’’ em corte duplo. ... 66

Gráfico 11 – Resistência de ligação com parafuso 3/8 ’’ com coeficientes de minoração e sem adição da força de arrancamento em corte simples. ... 67

Gráfico 12 – Resistência de ligação com parafuso 3/8’’ com coeficientes de minoração e sem adição da força de arrancamento em corte duplo. ... 68

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SUMÁRIO 1INTRODUÇÃO ... 15 2OBJETIVOS ... 16 2.1OBJETIVO GERAL ... 16 2.2OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 16 3JUSTIFICATIVA ... 17 4REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18 4.1LIGAÇÕES EM MADEIRAS ... 18

4.1.1Tipos comuns de ligações ... 18

4.1.1.1 Transmissão de esforço por contato direto – Entalhes ou Encaixes ... 19

4.1.1.2 Transmissão de esforços com elementos externos... 20

4.2COMPORTAMENTO MECÂNICO LIGAÇÕES – MODELO DE JOHANSEN ... 24

4.2.1 Corte simples ... 26 4.2.1.1 Modelo de falha 1b ... 26 4.2.1.2 Modelo de falha 1a ... 27 4.2.1.3 Modelo de falha 2a ... 29 4.2.1.4 Modelo de falha 2b ... 31 4.2.1.5 Modelo de falha 3 ... 32

4.2.2 Dupla seção de corte... 33

4.3DOCUMENTOS NORMATIVOS ... 35

4.3.1Revisão NBR 7190 ... 35

4.3.1.1Pré-furação ... 36

4.3.1.2Espaçamento ... 37

4.3.1.3Resistência das ligações com pinos metálicos ... 38

4.3.2 EUROCODE 5 ... 40

4.3.2.1 Parafusos passantes com porca e arruela ... 43

4.3.2.1.1 Momento devido à flexão ... 43

4.3.2.1.2Espaçamento ... 43

4.3.2.1.3 Numero efetivo de parafusos ... 44

4.3.2.1.4 Resistência ao arrancamento ... 45

4.4DISCUSSÕES DA REVISÃO BIBLIGRÁFICA ... 46

5AVALIAÇÃO TEÓRICA DOS MODELOS DE DIMENSIONAMENTO DA REVISÃO DA NORMA BRASILEIRA NBR 7190 (2012) E DO EUROCODE 5 (2004). ... 49

5.1MODELO DE CORPO DE PROVA A1 ... 51

(15)

5.3MODELO DE CORPO DE PROVA B1 ... 52

5.4MODELO DE CORPO DE PROVA B2 ... 52

5.5MODELO DE CORPO DE PROVA C1 ... 53

5.6MODELO DE CORPO DE PROVA C2 ... 53

5.7MODELO DE CORPO DE PROVA D1 ... 54

5.8MODELO DE CORPO DE PROVA D2 ... 54

6ANALISE DOS RESULTADOS ... 55

6.1COMPARAÇÃO POR MODELO DE PROVA ... 55

6.1.1Modelo de corpo de prova A1 ... 55

6.1.2Modelo de corpo de prova A2 ... 56

6.1.3Modelo de corpo de prova B1 ... 57

6.1.4Modelo de corpo de prova B2 ... 58

6.1.5Modelo de corpo de prova C1 ... 60

6.1.6Modelo de corpo de prova C2 ... 61

6.1.7Modelo de corpo de prova D1 ... 62

6.1.8Modelo de corpo de prova D2 ... 63

7CONCLUSÕES ... 69 8REFERÊNCIAIS BIBLIOGRÁFICAS ... 70 ANEXO A ... 71 ANEXO B ... 78 ANEXO C ... 83 ANEXO D ... 88 ANEXO E ... 93 ANEXO F ... 98 ANEXO G ... 103 ANEXO H ... 108 ANEXO I... 113 ANEXO J... 11327

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1 INTRODUÇÃO

A madeira é um material muito utilizado na construção, isso se deve ao fato de ser um elemento presente na natureza, sendo várias espécies comerciais e encontradas no mercado, além de apresentar facilidade no manuseio. Porém, somente nos últimos anos a madeira e seus subprodutos começaram a se difundir no Brasil como elemento estrutural, sendo assim, há um aumento na demanda de estudos científicos para aprimorar o seu uso.

Para utilização da madeira como elemento estrutural há grande dificuldade de se obter peças com dimensões requeridas em projeto. Fazendo-se necessário uniões entre peças disponíveis que atendam as solicitações mecânicas e ainda ofereçam segurança e durabilidade. Por serem consideradas de um ponto crítico da estrutura, as ligações requerem estudos experimentais que avaliem seu real comportamento.

No mundo inteiro vem se estudando modelos de cálculos que aproximem das condições usuais. No que diz respeito à resistência de ligações com pinos metálicos, constituída de pregos e parafusos, as principais normas internacionais fazem uso do modelo de Johansen. Exemplo disso é a Norma Europeia, EUROCODE 5 (1993), que apresenta sua metodologia de cálculo baseado conforme tal modelo.

A Norma Brasileira Revisão NBR 7190 – Projeto de Estruturas de Madeira (2012) apresenta recomendações específicas de cálculo para ligações com adesivos, com pinos metálicos, cavilhas e conectores. A ligação com pinos metálicos é a mais utilizada no Brasil devido a sua facilidade de aplicação e o baixo custo do material. Porém, a metodologia de cálculo para obtenção da resistência de ligação com pinos metálicos é simplificada, embora seja baseada no modelo de Johansen, é restrita a certas configurações de peças.

O estudo comparativo entre a Norma Brasileira e a Norma Europeia faz-se necessário para verificar a validade dos modelos de cálculo, para obtenção do valor de resistência de ligações com pinos metálicos.

(17)

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

Estudar modelos de resistência de ligações com parafuso passante com porca e arruela em madeira, avaliando modelos teóricos de documentos normativos nacionais e internacionais.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Estudar os modelos teóricos de resistência de ligações por parafuso passante com porca e arruela em madeira;

- Comparar teoricamente os modelos presentes em documentos normativos nacionais e internacionais sobre o tema;

- Sugerir novos estudos para ligações em madeira, considerando os resultados obtidos no presente trabalho.

(18)

3 JUSTIFICATIVA

Devido à elevada importância das ligações de estruturas de madeira, por ser considerado um ponto crítico na estrutura requerente de alta segurança, surge a necessidade de maiores estudos sobre o tema.

No que diz respeito a ligações com pinos metálicos, a Norma Brasileira Revisão NBR 7190 (2012) indica um modelo de dimensionamento diferenciado em relação a outras normas internacionais. Ainda pode se destacar que a mesma não apresenta método de cálculo de rigidez das ligações.

Sendo assim, surge a necessidade de investigar o modelo da norma, a fim de constatar a validade do mesmo ou de sugerir alterações no texto normativo.

(19)

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1 LIGAÇÕES EM MADEIRAS

A utilização de madeira como elemento estrutural vem aumentando consideravelmente ao logo do tempo, devido a suas boas propriedades mecânicas. Com isso, há um aumento nos estudos científicos para aprimorar esse material e difundi-lo no meio construtivo.

De acordo com Calil Júnior, Lahr e Dias (2003, p.111) é difícil encontrar no mercado peças de madeiras de comprimento superior a sete metros para espécies tropicais, e cinco metros para espécies de reflorestamento. Pfeil e Pfeil (2003, p. 52) especificam que no caso de madeira serrada em geral o comprimento das peças não ultrapassa quatro ou cinco metros. Com isso faz-se necessário à utilização de elementos de ligação para obtenção de comprimento de peças desejáveis.

Ainda para os autores a ligação é um ponto fundamental na estrutura de madeira, sendo que uma falha nessa região pode levar a estrutura ao colapso. Como exemplo, pode-se citar uma estrutura triangular treliçada de um telhado duas águas, onde há presença de ligações nos diversos elementos que a compõem (nós) e o comprometimento de qualquer uma das uniões pode levar a estrutura à ruína.

4.1.1 Tipos comuns de ligações

As ligações podem ser separadas em dois grandes grupos, as com transmissão dos esforços por contato direto entre as peças, (entalhes ou encaixes), e as com presença de elementos externos que mantem as peças de madeiras unidas (adesivos, chapas metálicas, anéis metálico, cavilhas e pinos metálicos).(CALIL JÚNIOR, LAHR, DIAS, 2003, p.111).

(20)

4.1.1.1 Transmissão de esforço por contato direto

É considerado um método tradicional de se fazer junção entre peças de madeira, sendo que antigamente era muito uti

devido à exigência de mão

Segundo Dias (2013) nesse tipo de ligação as faces das peças devem ser transmissoras de esforços e antes do carregamento devem estar perfeitamente encaixadas, sem folgas

pregos, colas ou parafusos, considerados apenas para a fixação e não sendo considerados nos cálculos.

Calil Júnior, Lahr e Dias (2003, p.116) especificam que tal tipo de ligação deve ser empregada para esforços de compressão, e caso h

causado pela ação do vento deve tração.

Na Figura 1 são mostrados esquemas dos tipos comuns de entalhes entre peças estruturais, e em alguns casos pod

para manter a estrutura fixa.

Figura

Transmissão de esforço por contato direto – Entalhes ou Encaixes

É considerado um método tradicional de se fazer junção entre peças de madeira, sendo que antigamente era muito utilizado, mas seu uso

mão-de-obra especializada.

Segundo Dias (2013) nesse tipo de ligação as faces das peças devem ser transmissoras de esforços e antes do carregamento devem estar perfeitamente encaixadas, sem folgas. Para manter os entalhes fixos são utilizados cavilhas, pregos, colas ou parafusos, considerados apenas para a fixação e não sendo considerados nos cálculos.

Calil Júnior, Lahr e Dias (2003, p.116) especificam que tal tipo de ligação para esforços de compressão, e caso haja

causado pela ação do vento deve-se prever outra formade combater esforços de

igura 1 são mostrados esquemas dos tipos comuns de entalhes entre peças estruturais, e em alguns casos pode-se observar a presença de elementos para manter a estrutura fixa.

Figura 1 – Esquema dos tipos comuns de entalhes Fonte: Dias (2013)

Entalhes ou Encaixes

É considerado um método tradicional de se fazer junção entre peças de lizado, mas seu uso vem decrescendo

Segundo Dias (2013) nesse tipo de ligação as faces das peças devem ser transmissoras de esforços e antes do carregamento devem estar perfeitamente Para manter os entalhes fixos são utilizados cavilhas, pregos, colas ou parafusos, considerados apenas para a fixação e não sendo

Calil Júnior, Lahr e Dias (2003, p.116) especificam que tal tipo de ligação inversão de esforço de combater esforços de

igura 1 são mostrados esquemas dos tipos comuns de entalhes entre se observar a presença de elementos

(21)

4.1.1.2 Transmissão de esforços com elementos externos

A utilização de elementos externos para unir peças de madeiras abrange a maior parte dos elementos de ligação como, por exemplo:

• Adesivos

Pfeil e Pfeil (2003, p.52) definem como um tipo de ligação moderno que envolve alta tecnologia, por apresentar rigoroso controle no processo de colagem, levando em consideração desde a propriedade de umidade da madeira até partes do processo de fabricação como utilização da cola, pressão e temperatura.

A Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO..., 2012) restringe a utilização de ligações com cola para juntas longitudinais de madeira laminada colada, sendo que tal tipo de madeira deve ter sido seca ao ar livre ou em estufas.

• Chapas Metálicas

Conforme Dias (2013) são chapas providas de dentes estampados ou pregos, onde os dentes absorvem os esforços transferindo-os paraoutro grupo de dentes.

Conforme Pfeil e Pfeil (2003), esse tipo de ligação é comumente utilizado em treliças pré-fabricadas, onde são prensadas contra as peças de madeira, sendo que para Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO..., 2012) as chapas metálicas com dentes estampados deve ter seus valores de resistência especificados pelo fabricante, para uma seção de corte.

• Anéis metálicos

Segundo Dias (2013) anéis metálicos são peças posicionadas na interface da madeira por meio de entalhes, sendo feito com uma serra-copo do diâmetro do conector. Para manter a ligação em posição utiliza-se para parafusos passantes colocados dentro do anel.

Pfeil e Pfeil (2003) considera o surgimento dos conectores de anéis é devido à procura por ligações rígidas com uma grande área de contato com a madeira, visto que a resistência de ligações com pinos metálicos é limitada pela tensão de apoio e pela flexão.

(22)

Conforme a Revisão NBR 7190 (

somente é permitido anéis de diâmetro interno de 64mm e 102mm, devendo ser acompanhados por parafusos de 12mm e 19mm, respectivamente. A montagem com anel metálico pode ser melhor visualizada na

Fi

Fonte: Associação Brasileira de Normas Técnicas (2012).

• Cavilhas

A cavilhas são pinos cilíndricos

peças de madeiras, devendo “ser torneadas e feitas com madeiras duras, folhosas da classe D60, ou com madeiras moles de

resinas que aumentem sua resistência” utilização em sistemas estruturais a

2012)especifica somente os diâmetros de 16mm, 18mm e 20mm, com pré

de diâmetro d0 igual ao diâmetro da cavilha e somente em corte duplo, sendo o corte

simples empregado apenas em ligações secundárias.

Segundo Dias (2013) para não haver retração e com isso a cavilha ficar folgada dentro das peças de madeira, é necessário que esteja completamente seca antes da utilização. A ligação com cavilha é demostrada na

Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO..., 2012)para ligações estruturais somente é permitido anéis de diâmetro interno de 64mm e 102mm, devendo ser acompanhados por parafusos de 12mm e 19mm, respectivamente. A montagem com anel metálico pode ser melhor visualizada na Figura 2.

Figura 2 – Ligações com anéis metálicas.

inos cilíndricos fabricados em madeira e cravados para unir peças de madeiras, devendo “ser torneadas e feitas com madeiras duras, folhosas da classe D60, ou com madeiras moles de ρaparente= 600 kg/m³ impregnadas com

resinas que aumentem sua resistência” (ASSOCIAÇÃO... , 2012, p.56) utilização em sistemas estruturais a Revisão NBR 7190 (

somente os diâmetros de 16mm, 18mm e 20mm, com pré

igual ao diâmetro da cavilha e somente em corte duplo, sendo o corte penas em ligações secundárias.

Segundo Dias (2013) para não haver retração e com isso a cavilha ficar folgada dentro das peças de madeira, é necessário que esteja completamente seca antes da utilização. A ligação com cavilha é demostrada na Figura 3.

para ligações estruturais somente é permitido anéis de diâmetro interno de 64mm e 102mm, devendo ser acompanhados por parafusos de 12mm e 19mm, respectivamente. A montagem

fabricados em madeira e cravados para unir peças de madeiras, devendo “ser torneadas e feitas com madeiras duras, folhosas = 600 kg/m³ impregnadas com 2012, p.56). Para sua Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO..., somente os diâmetros de 16mm, 18mm e 20mm, com pré-furação igual ao diâmetro da cavilha e somente em corte duplo, sendo o corte

Segundo Dias (2013) para não haver retração e com isso a cavilha ficar folgada dentro das peças de madeira, é necessário que esteja completamente seca antes da

(23)

• Pinos metálicos

Dos diversos tipos de ligações, as com pinos metálicos s Brasil devido a sua facilidade

qualificada, e disponibilidade do material no mercado. Pino metálico é um tipo de fixador

aço muito utilizado para fazer uniões entre peças de madeiras.Usualmente utilizam se dois tipos principais de pinos

Prego: a definição comum é de que esse uma das extremidades é achatada (cabe

por impacto em um determinado material que se pretende fixar ou segurar. Segundo Pfeil e Pfeil (2003, p. 52) o prego

ligações definitivas”, isso porque é um material de f

O mercado apresenta variações desse produto não s também na forma e no

serviço requerido. É possível ver algumas dessas variações de prego na Figu Figura 3 – Ligações com cavilhas

Dos diversos tipos de ligações, as com pinos metálicos são as mais utilizadas no Brasil devido a sua facilidade de aplicação, não necessitando mão de obra qualificada, e disponibilidade do material no mercado.

Pino metálico é um tipo de fixador formado geralmente por um eixo cilíndrico de muito utilizado para fazer uniões entre peças de madeiras.Usualmente utilizam se dois tipos principais de pinos metálicos: pregos e parafusos.

Prego: a definição comum é de que esse elemento é um tipo de fixador, onde uma das extremidades é achatada (cabeça) e a outra pontiaguda,

impacto em um determinado material que se pretende fixar ou segurar. Segundo Pfeil e Pfeil (2003, p. 52) o prego pode ser utilizado “em ligações

ligações definitivas”, isso porque é um material de fácil aplicação e baixo custo.

O mercado apresenta variações desse produto não somente no tamanho, mas material, diversificando sua aplicação e se adaptando ao É possível ver algumas dessas variações de prego na Figu

ão as mais utilizadas no de aplicação, não necessitando mão de obra

formado geralmente por um eixo cilíndrico de muito utilizado para fazer uniões entre peças de madeiras.Usualmente

utilizam-é um tipo de fixador, onde ça) e a outra pontiaguda, sendo cravado impacto em um determinado material que se pretende fixar ou segurar. Segundo utilizado “em ligações de montagem e

ácil aplicação e baixo custo. omente no tamanho, mas material, diversificando sua aplicação e se adaptando ao É possível ver algumas dessas variações de prego na Figura 4.

(24)

Parafuso: Segundo

eixo cônico ou cilíndrico, com rosca parcial ou

de parafusossão devido ao modelo de cabeça, a haste, o formato d de acionamento.

Em geral, apresentam

passantes, também denominados auto os parafusos auto-atarraxantes são

empregados como elemento de ligação em estruturas de madeiras. Em Timber Engineering STEP 1 (1995)

para parafusos, sendo estas:

• Dowel: barra de aço lisa e ajustada ao furo; • Bolt: parafuso passante com cabeça

• Screw: parafuso auto

Figura 4 – Tipos comuns de pregos Fonte: AGROADS (2013)

egundo Metálica (2013) parafusoé um elemento de fixação , com rosca parcial ou total, Figura 5. As variações d do ao modelo de cabeça, a haste, o formato d

Figura 5 – Esquema de parafuso. Fonte: Metálica (2013)

Em geral, apresentam-se dois tipos de parafusos, os passantes e não também denominados auto-atarraxantes. Pfeil e Pfeil (2003)

atarraxantes são muito utilizados em marcenaria e pouco como elemento de ligação em estruturas de madeiras.

Em Timber Engineering STEP 1 (1995) surge três denominações diferentes para parafusos, sendo estas:

Dowel: barra de aço lisa e ajustada ao furo;

Bolt: parafuso passante com cabeça sextavada, porca e arruela; Screw: parafuso auto-atarraxante (rosca soberba).

é um elemento de fixação com As variações dostipos do ao modelo de cabeça, a haste, o formato da rosca e o modo

se dois tipos de parafusos, os passantes e não feil e Pfeil (2003) indicam que em marcenaria e pouco como elemento de ligação em estruturas de madeiras.

denominações diferentes

(25)

4.2 COMPORTAMENTO MECÂNICO JOHANSEN

Conforme Timber Enginnering STEP 1 (1995) assume

quanto o pino de ligação são ideais, ou seja, a madeira é considerada um material perfeitamente plástico e o pino metálico perfeitamente rígido. Sendo assim, a resistência característica

Figura 6. Esta aproximação simplifica a análise e influência no resultado final.

Figura 6 - Característica simplifica

Fonte: TimberEnginnering STEP 1 (1995).

As notações a serem utilizadas nesse trabalho serão:

t1 e t2 são as espessuras da madeira ou da penetração pino, visualizado na

Figura 7.

Figura

COMPORTAMENTO MECÂNICO DAS LIGAÇÕES

onforme Timber Enginnering STEP 1 (1995) assume-se que tanto a madeira quanto o pino de ligação são ideais, ou seja, a madeira é considerada um material perfeitamente plástico e o pino metálico perfeitamente rígido. Sendo assim, a característica ao embutimento da madeira é constante como mostrado na Esta aproximação simplifica a análise e segundo o documento tem pouca

resultado final.

Característica simplificada da resistência ao embutimento. Fonte: TimberEnginnering STEP 1 (1995).

As notações a serem utilizadas nesse trabalho serão:

são as espessuras da madeira ou da penetração pino, visualizado na

Figura 7 – Espessuras t1 e t2 em uma seção de corte.

LIGAÇÕES – MODELO DE

se que tanto a madeira quanto o pino de ligação são ideais, ou seja, a madeira é considerada um material perfeitamente plástico e o pino metálico perfeitamente rígido. Sendo assim, a constante como mostrado na segundo o documento tem pouca

da da resistência ao embutimento.

são as espessuras da madeira ou da penetração pino, visualizado na

(26)

D é o diâmetro do pino metálico.

fe é o valor da força de embutimento da madeira.

Mk é o valor característico do momento gerado pela flexão do pino.

é o coeficiente da propriedade do material, com valores demostrados na Tabela 1.

Tabela 1– Coeficiente para propriedade do material

Combinação permanente

Madeira maciça 1,3

Madeira laminada colada 1,25

LVL, plywood, OSB 1,2

Panéis de partículas 1,3

Placa de fibras, difícil 1,3

Placas de fibras, média 1,3

Placas de fibras, MDF 1,3

Placas de fibras, solt 1,3

Ligações 1,25

Placas de metal com pré-furação 1,0

Combinação acidental 1,0

Fonte: Adaptado EUROCODE 5 (2004)

, = é o valor de cálculo da força de embutimento.

Sendo fe,d,1 correspondente a espessura t1 e fe,d,2 correspondente a espessura t2;

M = M_γ é o valor de cálculo do momento gerado pela flexão do pino;

= , ,

, ,

coeficiente de relação entre as resistências ao embutimento das peças de madeira;

Rd é o valor da resistência característica de cálculo, podendo ser visualizado sua aplicação na Figura 8.

(27)

Figura 8 – Resistência característica de cálculo em uma seção de corte

4.2.1 Corte simples

A seguir serão apresentados alguns modelos de falha baseados nos modelos de Johansen, sendo que todas as seções apresentadas são em corte simples.

4.2.1.1 Modelo de falha 1b

Ocorrência de embutimento da madeira em apenas uma das peças sem ocorrência de deformação do pino metálico. Na Figura 9 o embutimento ocorre apenas na primeira peça denominada de t1, e na Figura 10 o embutimento ocorre

(28)

Figura 9 – Modelo de falha 1b em t1 Figura 10 – Modelo de falha 1b em t2

A resistência da ligação para o modelo de falha 1b é demostrado na equação (1) para falha em t1 e na Equação (2) para falha em t2.

= , , (1)

= , ,

, , (2)

4.2.1.2 Modelo de falha 1a

Ocorrência de embutimento da madeira nas duas peças de madeira simultaneamente, sem deformação do pino metálico, como demostrado na Figura 11.

(29)

Figura 11– Modelo de falha 1a

A Equação (3) para a resistência da ligação para o modelo de falha com embutimento nas duas espessuras t1 e t 2, é descrita a partir das deduções a seguir:

Sabendo que a resistência é calculada como:

= − , , ! + , , ! + , , # !

Temos

= , , #

Também podendo ser expressa como:

= , , # = , , # = , , # Pois # = # Momento na interface = , , $#_{2 − &} = , , $ − #_{2 &} = , , $ − #_{2 &} Equacionando e substituindo:

(30)

# = # Teremos: # 2 + 1= + = − #₂ E = − #₂ = − #₂ Substituindo teremos: # (1 + ) + 2# * + + − * + + = 0 Resolvendo para b1 temos:

# = 1 + -. + 2 /1 + + ( ) 0+ 1_{( ) − (1 + )2}

Como especificado:

= 3, , #

= _{1 + -. + 2 /1 + + ( ) 0 +}, , 1_{( ) − (1 + )2} ₍₃₎

4.2.1.3 Modelo de falha 2a

Ocorrência de embutimento da madeira nas duas peças e deformação do pino metálico devido à flexão na segunda peça, como mostrado na Figura12.

(31)

Figura 12 – Modelo de falha 2a

O cálculo da resistência da ligação para o modelo de falha 2a é especificado pela Equação (4) e deduzido na sequência.

Sabendo que:

=

_{, ,}

# =

_{, ,}

# =

_{, ,}

#

# = #

Fazendo o equilíbrio dos momentos:

Ʃ

5 = − , , #_{2 +} , , *# + + (# + # + _{2 ) −} , , (# + # +3 _{2 )} Substituindo: , , = , , E

=

− #

₂

Fornece: # + _{2 + # −}2 _{2 + −} 5 , , 4 2 + = 0 Logo # = 2 + -.2 *1 + + +4 *2 + +5, , – 2 Substituindo # em:

(32)

= , , #

Temos:

= _{2 + -.2 *1 + + +}, , 4 *2 + +5

, , − 2 (4)

4.2.1.4 Modelo de falha 2b

Ocorrência de embutimento da madeira nas duas peças e com deformação do pino metálico por flexão na primeira peça, esquematizado na Figura 13.

Figura 13 – Modelo de falha 2b

O cálculo da resistência da ligação para o modelo de falha 2b é especificado pela Equação (5) e deduzido na sequência.

Como antes:

# = # Fazendo o equilíbrio dos momentos:

(33)

Ʃ

5 = , , /− #_{2 + # (# +}#_{2 ) + (# + −}3 _{2 ) − 9# + −} _{2 :0} Substituindo: # = # E = − #₂ Temos: # + 2 *2 + 1+ − $4 # 4 + 5, , & 4 *2 + 1+ = 0 Resolvendo para # : # = _{2 + 1 + .*2 + 1+ + 2 + 1 +}− 45 , , *2 + 1+ Sendo = , , # Assim: = _{1 + 2 -.2 *1 + + +}, , 4 *1 + 2 +5 , , − 2 (5) 4.2.1.5 Modelo de falha 3

Considerando que há ocorrência de deformação do pino metálico devido a flexão e embutimento da madeira nas duas peças, podendo ser visualizado na Figura 14.

Para o modelo de falha 3 a resistência da ligação é especificada na Equação (6) e deduzida a seguir.

Com a somatória dos momentos temos:

5 + 5 = , , # (# + #_{2 ) −} , , #₂

Lembrando que:

(34)

Substituindo e resolvendo para # : # = . 2 5 , , . 21 + Sendo: = , , # Temos: = ._{1 + ;25}2 , , (6)

Figura 14 – Modelo de falha 3. 4.2.2 Dupla seção de corte

(35)

Segundo Timber Enginnering STEP 1 (1995) pode-se utilizar a mesma abordagem de Johansen para se desenvolver equações para resistência da ligação para duas seções de corte, porém, deve-se multiplicar as equações pelo número de cortes, assim, para dupla seçãosimétrica se multiplica por dois como apresentadas nas Equações (7) a (10). = 2 , , ! Modelo de falha 1b (Figura 9) (7) = 2 0,5 , , ! Modelo de falha 1b (Figura 10) (8) = 2 = _{2 + -.2 *1 + + +}, , 4 *2 + +5 , , − 2> Modelo de falha 2 (Figura 12 ou 13) (9) = 2 =._{1 + ;2 5}2 , , > Modelo de falha 3 (Figura 14) (10)

O modelo de falha e o número da figura refere-se ao diagrama mostrado em uma seção de corte.

Nessas equações t2 é a espessura do elemento central e t1 a espessura do

elemento exterior ou a espessura de penetração do pino no elemento exterior, sendo o que tiver menor valor.

Ainda, o modelo de Johansen menciona que se deve acrescentar 10% da resistência total da ligação para abrangir os efeitos das forças axiais.

(36)

4.3 DOCUMENTOS NORMATIVOS

Neste trabalho serão comparados os critérios de dimensionamento de ligações com pinos metálicos em estruturas de madeiras da norma brasileira e europeia. A Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 7190 - em revisão e processo de publicação - (2012) é genérica e apresenta apenas uma equação para embutimento da madeira e uma para flexão do pino ambas em uma seção de corte, já a Norma Europeia EUROCODE 5 (2004) é mais completa, apresentando várias equações para análise em corte simples e corte duplo, abrangendo os modelos de falha descritos por Johansen, considerando ainda força de atrito entre a madeira e o pino e a força de arrancamento.

4.3.1 Revisão NBR 7190

O critério de dimensionamento conforme a Associação Brasileira de Normas Técnicas (2012) apresenta apenas um modelo para pinos metálicos, não sendo diferenciado para pregos e parafusos. Ou seja, o documento normativo nacional assume que o comportamento mecânico das ligações feitas com pregos e parafusos passantes é equivalente. Ainda com relação ao documento normativo nacional, o mesmo não apresenta modelo especifico para cálculo de ligações em madeira com parafusos ajustados (dowel) e pregos (nail) e desconsidera a utilização de parafusos auto-atarraxantes (screw) para elementos estruturais.

Segundo a Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO..., 2011, p. 52) para evitar o fendilhamento na madeira nas regiões das ligações, é necessário respeitar as especificações de espaçamentos e pré-furação e fazer a verificação conforme Equação (11) para que nas regiões de ligação não haja a ruptura por tração normal às fibras, Figura 15.

(37)

Figura

Fonte: Associação brasileira de normas técnicas (2011, p.52) onde:

be é a distância do eixo do pino mais afastado à borda do lado da solicitação, com be≥ h/2;

t é a espessura da peça principal; fv,d é a resistência de cá

α é o ângulo de inclinação d

h é a altura total da seção transversal da peça principal.

4.3.1.1 Pré-furação

A Revisão NBR 7190

estruturas com ligações pregadas é obrigatório que seja feita a pré madeira, sendo o diâmetro efetivo dos pregos (d

furação (d0), recomendando

• Para madeira do tipo

• Para madeira do tipo folhosa: d

Porém, abre-se uma exceção para estruturas provisórias permitindo “o uso de ligações pregadas sem pré

leve (ρ < 600 kg/m³); diâmetro do

mais fina de madeira e pregos espaçados de 10d” (PFEIL; PFEIL, 2003, p. 59). Figura 15 – Ligações com tração normal às fibras

Fonte: Associação brasileira de normas técnicas (2011, p.52)

ncia do eixo do pino mais afastado à borda do lado da solicitação, com

é a espessura da peça principal;

resistência de cálculo ao cisalhamento paralelo às fibras; é o ângulo de inclinação da força F em relação às fibras; é a altura total da seção transversal da peça principal.

furação

Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO.. ,2011, p. 53) especifica que estruturas com ligações pregadas é obrigatório que seja feita a pré

o diâmetro efetivo dos pregos (def) maior que o diâmetro da pré

), recomendando-se os valores a seguir: Para madeira do tipo coníferas: d0 = 0,85 def

Para madeira do tipo folhosa: d0 = 0,98 def

se uma exceção para estruturas provisórias permitindo “o uso de ligações pregadas sem pré-furação com as seguintes condições: uso de madeira âmetro do prego d não maior que 1/6 d espessura da peça mais fina de madeira e pregos espaçados de 10d” (PFEIL; PFEIL, 2003, p. 59).

Fonte: Associação brasileira de normas técnicas (2011, p.52)

ncia do eixo do pino mais afastado à borda do lado da solicitação, com

lculo ao cisalhamento paralelo às fibras;

especifica que no caso de estruturas com ligações pregadas é obrigatório que seja feita a pré-furação na maior que o diâmetro da

pré-se uma exceção para estruturas provisórias permitindo “o uso de furação com as seguintes condições: uso de madeira prego d não maior que 1/6 d espessura da peça mais fina de madeira e pregos espaçados de 10d” (PFEIL; PFEIL, 2003, p. 59).

(38)

Pfeil e Pfeil (2003, p. 64) esclarecer que a norma brasileira NBR 7190-1997 não considera parafusos auto-atarraxantes como conectores de peças estruturais de madeira.

Ainda, a Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO.. ,2012, p. 53) considera que as ligações com parafusos de porcas e arruelas (parafuso passante) sejam consideradas rígidas, a pré-furação deve ser feita com o diâmetro da pré-furação (d0)não maior que o diâmetro do parafuso (d) com acréscimo de 5mm, logo a ligação

será considerada deformável caso o diâmetro d0 seja maior que o diâmetro d do

parafuso.

4.3.1.2 Espaçamento

Conforme especificado Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO... ,2012, p. 59)para ligações com pinos:

a) Entre o centro de dois pinos situados em uma mesma linha paralela à direção das fibras: pregos, cavilhas e parafusos afastados 6 d ; parafusos 4 d;

b) Do centro do ultimo pino à extremidade de peças tracionadas: 7 d; c) Do centro do ultimo pino à extremidade de peças comprimidas: 4 d; d) Entre os centros de dois pinos situados em duas linhas paralelas à

direção das fibras, medido perpendicular às fibras: 3 d;

e) Do centro de qualquer pino à borda lateral da peça, medido perpendicular às fibras, quando o esforço transmitido for paralelo às fibras: 1,5 d;

f) Do centro de qualquer pino à borda lateral da peça, medido perpendicularmente às fibras, quando o esforço transmitido for normal às fibras, do lado onde atuam tensões de tração normal: 1,5 d;

g) Do centro de qualquer pino à borda lateral da peça, medido perpendicularmente às fibras, quando o esforço transmitido for normal às fibras, do lado onde atuam tensões de compressão normal: 4 d.

(39)

Figura

Fonte: Adaptado Associação Brasileira de Normas Técnicas (2012, p. 60).

4.3.1.3 Resistência das ligações com pinos metálicos

Segundo Revisão NBR 7190 pinos em uma ligação influe

pinos em linha, dispostos paralelamente à força aplicada, a resistência total é a somatória da resistência individual de cada pino, acima de oito pinos os suplementares devem ser considerados 2/3 da resistência individ

sendo o número de pinos efetivos, temos o número convencion conforme Equação (12).

Para uma seção de corte é levado em consideração à resistência ao embutimento (fwed), a resistência ao esco

e a espessura convencional t, sendo o valor de tal espessura o menor entre t como exposto na Figura 17.

Figura 16 – Espaçamento em ligações com pinos

Resistência das ligações com pinos metálicos

Segundo Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO.. ,2012, p. 54

ligação influencia na resistência total da ligação, sendo que até oito pinos em linha, dispostos paralelamente à força aplicada, a resistência total é a somatória da resistência individual de cada pino, acima de oito pinos os suplementares devem ser considerados 2/3 da resistência individ

sendo o número de pinos efetivos, temos o número convencional de pinos calculado

FG= 8 + 2_{3 *F 8+}

Para uma seção de corte é levado em consideração à resistência ao ), a resistência ao escoamento do pino (fyd), o diâmetro do pino (d)

e a espessura convencional t, sendo o valor de tal espessura o menor entre t igura 17.

2, p. 54), o número de total da ligação, sendo que até oito pinos em linha, dispostos paralelamente à força aplicada, a resistência total é a somatória da resistência individual de cada pino, acima de oito pinos os suplementares devem ser considerados 2/3 da resistência individual. Assim, com “n” al de pinos calculado

(12)

Para uma seção de corte é levado em consideração à resistência ao ), o diâmetro do pino (d) e a espessura convencional t, sendo o valor de tal espessura o menor entre t1 e t2,

(40)

Figura

Fonte: Adaptado Associação

Em seções de corte duplo, a espessura convencional t é a menor espessura entre t1e t2/2 em uma das seções e t

Figura

Fonte: Adaptado Associação Brasileira de Normas Técnicas (2012, p.56).

Para a determinação da resistência da ligação (R parâmetros apresentados:

onde:

t é a espessura especificada nas Figuras 17 e 18; d é o diâmetro do pino metálico;

Figura 17 – Pinos metálicos em corte simples

Em seções de corte duplo, a espessura convencional t é a menor espessura /2 em uma das seções e t2/2 e t3 na outra seção, mostrada na F

Figura 18 – Pinos metálicos em corte duplo

Para a determinação da resistência da ligação (Rd) é necessário verificar os

parâmetros apresentados:

= 1,25 . I,

,

espessura especificada nas Figuras 17 e 18; é o diâmetro do pino metálico;

Brasileira de Normas Técnicas (2012, p.54).

Em seções de corte duplo, a espessura convencional t é a menor espessura na outra seção, mostrada na Figura 18.

) é necessário verificar os

(13)

(41)

fy,k é o valor da resistência de escoamento do pino

I, I,

J

é o valor da resistência de cálculo do escoamento do pino, com

Os dois casos apresentados na 55) são:

• Equação (15) quando

• Equação (16) quando

4.3.2 EUROCODE 5

Segundo EUROCODE 5 houver um cálculo mais detalhado, satisfeita pela Equação (17).

onde:

F90,Rd resistência

Fv,Ed,1 , Fv,Ed,2 resistência de projeto ao cisalhamento de cada lado do conector

Figura 19

é o valor da resistência de escoamento do pino

é o valor da resistência de cálculo do escoamento do pino, com

Os dois casos apresentados na Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO.. ,2012, p.

uando β≤βlim:ocorrência de embutimento na madeira.

0,50 ,

uando β≥βlim: ocorrência de flexão do pino

0,625 I,

Segundo EUROCODE 5 (2004) e conforme a Figura 19 houver um cálculo mais detalhado, deve ser demonstrado que a

quação (17).

?E,L D ?MG,N

?E,L OáQ. ?_?E,L ,_{E,L ,}

esistência de projeto ao fendilhamento;

resistência de projeto ao cisalhamento de cada lado do conector

- Força combinada agindo em um ângulo as fibras Fonte: EUROCODE5 (2004)

é o valor da resistência de cálculo do escoamento do pino, com _S 1,1

ASSOCIAÇÃO.. ,2012, p.

ocorrência de embutimento na madeira.

(15)

ocorrência de flexão do pino

(16)

igura 19, exceto quando seguinte condição é

(17)

(18)

resistência de projeto ao cisalhamento de cada lado do conector.

(42)

Para se calcular a resistência ao fendilhamento de madeiras com baixa densidade (denominadas em inglês como softwoods),deve-se utilizar a Equação 19, como descrita a seguir:

?MG,N = 14#T . ℎ

91 −3V

3:

(19)

Sendo w um fator de modificação especificado na Equação (21): T = WO Q. X9 TY 100: G,1Z 1 1

para chapa de dentes estampados

(20)

para todos os outros conectores

Os símbolos são definidos a seguir:

F90,Rk é a resistência característica ao fendilhamento, em N; w é o fator de modificação;

he é a distância da borda carregada para o centro do fixador mais distantes ou para a chapa de dentes estampados, em mm;

h altura da peça de madeira, em mm;

b espessura do membro de madeira, em mm;

wpl é a largura da chapa de dentes estampados paralela às fibras, em mm.

Quando ocorrer alternância de esforços na ligaçãoa resistência da ligação deve ser reduzida. O efeito sobre a intensidade da ligação de ações de longo prazo ou a médio prazo, alternando entre uma força de tração(Ft,Ed) e uma força de

compressão (Fc,Ed) deve ser levado em consideração, projetando a ligação para

(Ft,Ed + 0,5 Fc,Ed) e (Fc,Ed + 0,5 Ft,Ed).

O valor de projeto para resistência da ligação com pinos metálicos (pregos, parafusos passantes, parafusos auto-atarraxantes ou pino com pouca rugosidade) entre peças de madeira ou derivados de madeira deve ser o menor das fórmulas a seguir:

• Uma seção de corte

[ [ [

\ , , (21)

(43)

, , 1 + -. + 2 /1 + + ( ) 0 + 1( ) − (1 + )2 +?]^,N4 (23) 1,05 _{2 +}, , -.2 *1 + + + 4 *2 + +5I, , , − 2 + ?]^,N 4 (24) 1,05 _{1 + 2 -.2 *1 + + +}, , 4 *1 + 2 +5I, , , − 2 + ?]^,N 4 (25) 1,15 ._{1 + _2 5}2 I, , , +?]^,N₄ (26)

• Duas seções de corte

= O`F. a [ [ [ b [ [ [ \ 2 , , ! (27) 2 0,5 , , ! (28) 2 =1,05 _{2 + -.2 *1 + + +}, , 4 *2 + +5I, , , − 2 + ?]^,N 4 > (29) 2 =1,15._{1 + _2 5}2 I, , , +?]^,N_{4 >} (30) Onde: ?]^,N 4

Resistência característica ao arrancamento do conector

Nas Equações (23) até (26), (29) e (30), o primeiro termo é a capacidade de carga de acordo com a teoria de Johansen, enquanto o segundo termo (?_]^,N ⁄4) é a contribuição da resistência ao arrancamento. A contribuição para a capacidade de carga, devido a resistência ao arrancamentodeve ser limitada aos seguintes percentagens da parcela de Johansen:

- Pregos redondos 15%

- Pregos quadrados e com ranhuras 25%

- Outros pregos 50%

- Parafuso auto-atarraxante 100% - Parafuso com porca e arruela 25%

- Pinos 0%

(44)

Ainda, deve ser considerada uma resistência adicional aos conectores tipo pino metálico nos casos de falha modo 2 e 3. Isso se deve ao atrito entre o conector e a madeira e também devido às restrições que as cabeças dos parafusos e as arruelas promovem na ligação. Levando em consideração esse atrito, o EUROCODE 5 (2004) tem os coeficientes 1,05 e 1,15, no início das equações.

4.3.2.1 Parafusos passantes com porca e arruela.

Segundo o EUROCODE 5 (2004) para ligações entre peças de madeira e LVL os parafusos passantes com porca e arruela até 30mm de diâmetros e ângulo α com as fibras, é feito as seguintes considerações:

,d = _e 3,G,

MGf`F C + gf C

,G = 0,082 *1 − 0,01 + N/mm²

eMG =W

= 1,35 + 0,015 para madeiras macias

= 1,30 + 0,015 LVL

= 0,90 + 0,015 para madeiras duras

Com a densidade ( ) em kg/m³ e o diâmetro (d) em mm.

4.3.2.1.1 Momento devido à flexão

Quando ocorre a flexão do pino o mesmo produz um momento característico, sendo que para parafusos de eixo redondos com o material em aço deve ser calculado conforme Equação (31).

5 = 0,3 i ,j (31)

Sendoa resistência à tração( _i)em N/mm². 4.3.2.1.2 Espaçamento

(45)

Os espaços e distâncias para utilização dos parafusos são especificados pelo EUROCODE 5 (2004) conforme a Quadro 1, com seus símbolos definidos na Figura 20.

Figura 20 – Definição do espaçamento e distância para ligações. Fonte: Adaptada EUROCODE 5 (2004)

a1 (paralelo às fibras) 0° ≤α≤ 360° (4 + 3⃒cosα⃒) d

a2 (perpendicular às fibras) 0° ≤α≤ 360° 4d a3,t -90° ≤α≤ 90° máx. (7d ; 80mm) a3,c 90° ≤α≤ 150° 150° ≤α≤ 210° 210° ≤α≤ 270° (1 + 6⃒sinα⃒) d 4d (1 + 6⃒sinα⃒) d a4,t 0° ≤α≤ 180° máx. [(2 + 2 sinα) d ; 3d] a4,c 180° ≤α≤ 360° 3d

Quadro 1 – Espaçamento e distâncias mínimas para parafusos Fonte: Adaptado de EUROCODE 5 (2004)

(46)

Número efetivo de parafusos para uma linha com n parafusos na direção paralela as fibras, pode ser calculado conforme Equação (32).

F l = O`F. W F FG,M_{_} 13 m (32) onde:

a1 distância entre os parafusos

d diâmetro do parafuso n número de parafusos

nef número efetivo de parafusos

Se a linha com n parafusos estiver na direção perpendicular às fibras o numero efetivo de parafusos será igual ao numero de parafusos (F _l = F).

4.3.2.1.4Resistência ao arrancamento

Resistência característica ao arrancamento do conector (?_]^,N ) utilizada para parafusos passantes é o menor valor entre:

- Resistencia de tração do parafuso: n

4 I

(33)

- Resistência ao embutimento da arruela na madeira

(47)

4.4 DISCUSSÕES DA REVISÃO BIBLIGRÁFICA

O modelo de Johansen mesmo tendo sido formulado na década de 40 ainda é o mais utilizado nas principais normas internacionais. Mesmo havendo estudos de outros modelos, ainda não são conclusivos para aplicação em normas.

Os modelos teóricos para o calculada resistência de ligações com pinos metálicos, realizado tanto pela NBR7190 (ASSOCIAÇÃO..., 2012) quanto pelo EUROCODE 5 (1993), derivam do modelo de Johansen, porém existem diferenças entre os textos.

O projeto de revisão da norma NBR 7190 baseia-se no modelo de Johansen como no EUROCODE 5, entretanto simplifica os modelos de ruptura para apenas dois casos: embutimento da madeira e flexão do pino. Ocorre que as equações apresentadas na norma brasileira só são válidas para determinados casos de configuração de geometria e materiais.

A Equação (15) da norma brasileira é a mesma Equação (3) do modelo de Johansen, considerando que as peças de madeiras a serem unidas são de mesma espécie, ou seja, que a resistência ao embutimento é a mesma ( _{, ,} = _{, ,} +, e que as espessuras serão iguais (t1 = t2). Segue a dedução da equação da norma

brasileira a partir do modelo de Johansen para obtenção da Equação (35). Considerando:

= , ,

, , = 1

e

= 1 Substituindo na equação (3) temos:

= _{1 + 1 o;1 + 2*1+ p1 + 1 + *1+ q + 1}, 1_{*1+ − 1*1 + 1+r}

Resolvendo:

(48)

= ,_{2 p0,828q}

= 0,414 , (35)

A atual versão da NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO... , 1997) apresenta o fator de multiplicação igual a 0,4, já o projeto de revisão do norma NBR 7190/2012 apresenta o fator de multiplicação de 0,5. Não havendo explicação teórica que demonstre a alteração.

Quando o cálculo é realizado para flexão do pino, a Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO.. ,2012) utiliza a Equação (6), considerando que as peças de madeiras unidas sejam a mesma ( _{, ,} = _{, ,} + e apenas a utilização de parafuso passante com porcas e arruelas. Assim a Equação (37) é obtida através de a dedução a seguir.

Sendo

= , ,

, , = 1

Substituindo na Equação (26) temos:

= ._{1 + 1 ;25}2 *1+ , ,

= ;25 , ,

No EUROCODE 5 (1993) o valor de cálculo do momento (Md) é especificado,

conforme a Equação (36).

5 = 0,8 i 1

6 (36)

Substituindo o valor do momento temos:

= .2 $0,8 I, 1

6 & , , = _0,266 v I, , ,

(49)

Sendo assim, pode-se afirmar que as equações expostas na Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO..., 2012) são para casos restritos.

Já o EUROCODE 5 (2004) seguem as equações conforme o modelo de Johansen sem restrições, logo o cálculo é mais detalhado, podendo ser mais confiável.

Para avaliar a eficiência dos modelos de cálculo da Revisão NBR 7190 e EUROCODE 5 (2004)são necessárias simulações numéricas e uma investigação experimental. Neste trabalho realizamos apenas a investigação numérica, comparando resultados das normas para situações corriqueiras.

(50)

5 AVALIAÇÃO TEÓRICA DOS MODELOS DE DIMENSIONAMENTO DA REVISÃO DA NORMA BRASILEIRA NBR 7190 (2012) E DO EUROCODE 5 (2004).

Para a avaliação teórica são simulados os dimensionamentos de ligações parafusadas utilizando parafuso sextavado rosca parcial com porca e arruela, sendo de aço de alta resistência atendendo a ASTM A325 e outro grupo com parafuso francês com porca sextavada e arruela, sendo o aço de baixa resistência atendendo ASTM A307.

Conforme NBR 8800/2008 os valores mínimos da resistência à rupturae da resistência ao escoamento de parafusos é apresentado no Quadro 2, sendo todos conforme suas respectivas normas e especificações. Ainda, é especificando que os parafusos fabricados com aço temperado não podem ser soldados nem aquecidos.

Especificação I i Diâmetro d

MPa MPa Mm Pol

ASTM A307 - 415 - ½ ≤ d ≤4 ISSO 898-1 Classe 4.6 235 400 12 ≤ d ≤ 36 - ASTM A325a 635 825 16 ≤ d ≤ 24 ½ ≤ d ≤1 560 725 24 ≤ d ≤ 36 1 ≤ d ≤ 1 ½ ISO 4016 Classe 8.8 640 800 12 ≤ d ≤ 36 - ASTM A490 895 1035 16 ≤ d ≤ 36 ½ ≤ d ≤ 1 ½ ISSO 4016 Classe 10.9 900 1000 12 ≤ d ≤ 36 - a

Disponíveis também com resistência à corrosão atmosférica comparável à dos aços AR 350 COR ou à dos aços ASTM A588.

Quadro 2 – Materiais usados em parafusos

Serão utilizadas espécies diferentes de madeira, uma de reflorestamento e outra nativa, Pinus e Itaúba, respectivamente. Para as analises serão utilizados os valores de resistência à compressão, resistência ao cisalhamento, módulo de elasticidade à compressão e densidade aparente, conforme as classes de resistência segunda Revisão NBR 7190 (ASSOCIAÇÃO..., 2012), Tabelas 2e Tabela 3.

(51)

Tabela 2– Classe de resistência das coníferas

Coníferas (valores na condição padrão de referencia U = 12%)

Classes fc0k (MPa) fv0,k (MPa) Ec0,k (MPa) ρaparente (kg/m³)

C20 20 4 3500 500

C25 25 5 8500 550

C30 30 6 14500 600

Fonte: Adaptado Revisão NBR 7190 (20012)

Tabela 3 – Classe de resistência das folhosas

Folhosas (valores na condição padrão de referencia U = 12%)

Classes fc0k (MPa) fv0,k (MPa) Ec0,k (MPa) ρaparente (kg/m³)

D20 20 4 9500 650

D30 30 5 14500 800

D40 40 6 19500 950

D50 50 7 22000 970

D60 60 8 24500 1000

Fonte: Adaptado Revisão NBR 7190 (20012)

A madeira pinus é considerada como uma madeira de classe C30, sendo a Itaúba uma madeira de classe D40, logo os valores utilizados para resistência característica ao embutimento serão o fc0k, tanto para os cálculos conforme a

Revisão NBR 7190 (2012) quanto para os cálculos do EUROCODE 5 (2004). Isso se deve ao fato do EUROCODE 5 (2004) apresentar uma fórmula empírica para obtenção da resistência ao embutimento com base em madeiras europeias, podendo interferir na análise dos resultados das resistências.

As simulações realizadas nesse trabalho tem como principio utilizar corpos de prova que sejam os mais usuais em estruturas de madeiras, ou seja, a espécies das madeiras e parafusos são de facilmente encontrados no comércio sendo as dimensões (espessura t do corpo de prova) comumente observadas.

Sendo assim, será apresentado na Figura 21 até Figura 28ilustraçõesdos modelosdos corpos de prova, especificando em cada uma as espessuras, o tipo de madeira e o tipo de parafuso utilizado.

(52)

5.1 MODELO DE CORPO DE PROVA A1

Figura 21 – Modelo de corpos de prova A1.

Os cálculos para cada uma das simulações efetuadas são descritos no ANEXO A.

5.2 MODELO DE CORPO DE PROVA A2

Figura 22 – Modelo de corpos de prova A2.

Os cálculos para cada uma das simulações efetuadas são descritos no ANEXO B.

(53)

5.3 MODELO DE CORPO DE PROVA B1

Figura 23 – Modelo de corpos de prova B1.

Os cálculos para cada uma das simulações efetuadas são descritos no ANEXO C.

5.4 MODELO DE CORPO DE PROVA B2

Figura 24 – Modelo de corpos de prova B2.

Os cálculos para cada uma das simulações efetuadas são descritos no ANEXO D.

(54)

5.5 MODELO DE CORPO DE PROVA C1

Figura 25 – Modelo de corpos de prova C1.

Os cálculos para cada uma das simulações efetuadas são descritos no ANEXOE.

5.6 MODELO DE CORPO DE PROVA C2

Figura 26 – Modelo de corpos de prova C2.

Os cálculos para cada uma das simulações efetuadas são descritos no ANEXOF.

(55)

5.7 MODELO DE CORPO DE PROVA D1

Figura 27 – Modelo de corpos de prova D1.

Os cálculos para cada uma das simulações efetuadas são descritos no ANEXO G.

5.8 MODELO DE CORPO DE PROVA D2

Figura 28 – Modelo de corpos de prova D2.

Os cálculos para cada uma das simulações efetuadas são descritos no ANEXOH.

(56)

6 ANALISE DOS RESULTADOS

6.1 COMPARAÇÃO POR MODELO DE PROVA

6.1.1 Modelo de corpo de prova A1

Diâmetros do parafuso de ¼’’ (6,35 milímetros)

• NBR 7190 (2012) - Flexão do pino

• EUROCODE 5 (2004) - Corte simples: modelo de falha 3 - Corte duplo: modelo de falha 3

Diâmetros do parafuso dewz_xy ’’ (8 milímetros)

• NBR 7190 (2012) - Embutimento da madeira

• EUROCODE 5 (2004) - Corte simples: modelo de falha 1a - Corte duplo: modelo de falha 2

Diâmetros do parafuso {z_| ’’ (10 milímetros)

Diâmetros do parafuso de ½’’ (12,7 milímetros)

Tabela 4 – Resistência das ligações para corpo de prova A1 (kN)

¼’’ wz_xy ’’ {z_| ’’ ½’’

Corte Simples Revisão NBR 7190 1,72 3,00 3,75 4,76

EUROCODE 5 2,47 3,11 3,80 4,93

Corte duplo Revisão NBR 7190 3,44 6,00 7,50 9,53